从核反应堆压力容器到大型涡轮部件，传统制造往往受制于复杂工艺、高昂成本和漫长周期。近日，美国橡树岭国家实验室（ORNL）将增材制造（3D打印）与粉末冶金热等静压（PM-HIP）技术结合，为大型关键金属部件制造提供了一条全新的技术路径，不仅显著简化了大型金属构件的生产流程，还为先进核能、水电装备、航空航天等领域的大尺寸复杂零部件制造打开了新的空间。

热等静压（HIP）是一种成熟的先进制造技术，通过在高温高压环境下对金属粉末进行压制，实现接近100%致密度的金属构件制造。而粉末冶金热等静压（PM-HIP）则是在密封容器内填充金属粉末，再通过HIP工艺直接形成大型零件。

长期以来，PM-HIP的关键难点之一在于封装容器（Canister）的制造。传统罐体通常需要经过金属板材成形、机械加工、焊接等多个步骤，不仅制造周期长，而且焊缝区域容易产生缺陷，同时复杂几何结构的制造能力有限。

ORNL团队提出的新思路是：利用增材制造直接打印PM-HIP罐体。这样不仅能够按照最终零件外形定制复杂结构，还能省去大量中间加工环节，实现近净成形制造。

研究人员采用了激光增材制造和送丝增材制造等多种技术路线，成功制造出满足要求的HIP罐体。完成打印后：

• 向罐体内部填充金属粉末；

• 进行真空密封；

• 放入热等静压设备；

• 在高温高压环境下完成致密化。

  最终获得的大型金属部件内部缺陷极少，具有优异的力学性能和可靠性。

对于核能行业而言，大型关键部件一直是制约产业发展的重要因素。例如：

• 小型模块化反应堆（SMR）压力容器；

• 熔盐堆结构件；

• 核级换热器；

• 核电主回路部件。

这些装备不仅尺寸巨大，而且对材料性能和结构完整性要求极高。ORNL研究人员指出，通过AM+PM-HIP技术路线，可以实现传统铸造和锻造难以完成的复杂结构设计。更重要的是，PM-HIP能够适配多种先进合金材料。研究人员可以通过控制粉末材料和工艺参数，优化材料内部组织结构，从而获得：

• 更强的耐腐蚀能力；

• 更高的高温稳定性；

• 更优异的抗辐照性能；

• 更长的服役寿命。

这些特性对于未来先进核反应堆具有重要意义。ORNL研究员Pavan Ajjarapu表示：通过结合增材制造和热等静压技术的优势，团队正在为下一代核能系统和水电装备创造更大的设计自由度。

事实上，这项技术的应用远不局限于核工业。在航空航天领域，大型涡轮盘、机匣、发动机结构件同样面临制造复杂、材料利用率低的问题。

采用AM制造HIP罐体后，可以直接按照最终零件形状设计封装结构，实现：

• 材料利用率提升；

• 加工余量减少；

• 制造周期缩短；

• 生产成本下降。

对于燃气轮机、水轮机以及大型能源装备而言，这意味着未来能够更快、更经济地制造超大型复杂构件。

大型PM-HIP构件制造还有一个行业痛点——变形预测。由于热等静压过程中会产生收缩和形状变化，大型零件往往需要经历多轮试制与修正。

为此，ORNL团队同步开发了基于物理机理的计算模型。研究人员利用热力耦合模拟技术，对HIP过程中产生的：

• 收缩行为；

• 应力分布；

• 几何变形；

进行精确预测。

ORNL研究员Subrato Sarkar表示：

与此同时，研究团队还建立了机械行为计算模型，通过虚拟仿真优化工艺参数，大幅降低试制成本和开发周期。这意味着未来大型关键部件有望实现“数字设计—数字验证—一次成型”的制造模式。

当前，美国能源、国防和航空工业普遍面临大型锻件和铸件供应能力不足的问题。大型锻造设备投资高昂，制造周期往往以月甚至年计算。ORNL认为，AM+PM-HIP技术有望成为传统铸造和锻造的重要补充。研究人员指出：

• 可以缓解大型关键部件供应链紧张；

• 提升美国先进制造能力；

• 增强国防工业基础；

• 支撑国家能源安全。

ORNL材料科学家Soumya Nag表示：